DD258058A1 - Verfahren zur bestimmung der lage und/oder einrichtung und abmessung optisch wirksamer strukturen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Bestimmung der Lage bzw. der Abmessungen optisch wirksamer Strukturen unter Verwendung einer Fotoempfaengeranordnung, auf die die Struktur abgebildet wird. Ein Anwendungsgebiet ist z. B. die Strukturbreitenmessung bei Mustern fuer integrierte Schaltungen. Eine das Rastermass der Fotoempfaengeranordnung unterschreitende Aufloesung bei der Messung wird mit relativ geringem technischen Aufwand dadurch erreicht, dass am Ausgang der relativ zum strukturierten Messobjekt bewegten Fotoempfaengeranordnung eine Komparatorschaltung mit Empfaengerzaehler angeordnet ist und ein Wegmesssystem zur Bestimmung der Aenderung der Relativlage zwischen Messobjekt und Fotoempfaengeranordnung eingesetzt ist. Als Wegmesssystem kann ein Einzelempfaenger der Fotoempfaengeranordnung dienen, auf welchem ein zur Messanordnung gehoerendes Kantenbild abgebildet ist.

Description

Hierzu 2 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Lage bzw. der Abmessungen optisch wirksamer Strukturen unter Verwendung von Fotoempfängeranordnungen. Mit Fotoempfängeranordnungen sind hier alle zeilen-und matrixförmig aufgebauten fotoelektrischen Empfänger (z. B. CCD-Zeilen) bezeichnet.

Anwendungsgebiete der Einrichtung und des Verfahrens sind die Lage- und/oder die Abmessungsbestimmungen von ' strichförmigen oder räumlich ausgedehnten optisch wirksamen Strukturen bzw. Meßobjekten, ζ. B. die Strukturbreitenmessung bei Mustern für integrierte Schaltungen.

-2- 258 Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind Verfahren und Einrichtungen bekannt, bei denen durch Unterscheidung beleuchteter und unbeleuchteter Empfänger mittels Komparator (Binärbildverarbeitung) die Abmessungen von hellen oder dunklen Strukturen oder die Lage von HeII-Dunkel-Übergängen ermittelt werden (CH 643060, DD 203628). Die Auflösung solcher Verfahren und Einrichtungen ist durch das Rastermaß der Fotoempfängeranordnung (z. B. Einzelempfängermittenabstand) begrenzt. Eine darüber hinausgehende Auflösung wird durch Verfahren und Einrichtungen erreicht, bei denen Grauwertverarbeitung durchgeführt wird. Hier wird die Strukturlage oder Abmessung aus den Empfängersignalen mittels Interpolationsverfahren (DE 2436510) oder integralen Verfahren (DD 201 500, DD 217621) bestimmt. Der Nachteil solcher Verfahren und Einrichtungen besteht darin, daß zur Gewinnung der Strukturlage oder-abmessung eine Rechnerauswertung mit vorhergehender Analog-Digital-Wandlung der Empfängersignale oder eine geeignete Kombination analog-rechnender Bauelemente (z. B. Integratoren DD 217 621) notwendig ist. Diese beiden Möglichkeiten sind mit einem relativ großen Aufwand verbunden.

Ziel der Erfindung

. Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei der Lage und Abmessungsbestimmung eine das Rastermaß der Fotoempfängeranordnung unterschreitende Auflösung mit geringerem Aufwand als bei bekannten technischen Lösungen zu realisieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Lage und/oder Abmessungen optisch wirksamer Strukturen zu realisieren, ohne daß eine Analog-Digital-Wandlung und Rechnerauswertung oder eine spezielle aufwendige Analogelektronik zur Auswertung benötigt werden.

Erfindungsgemäß besteht die Einrichtung aus einer Fotoempfängeranordnung, auf die die zu vermessende optisch wirksame Struktur abgebildet wird, einem Wegmeßsystem zur Bestimmung der Änderung der Relativlage zwischen Meßobjekt und Fotoempfängeranordnung und einer Komparatorsehaltung mit Empfängerzähler zur Auswertung der Empfängersignale der Fotoempfängeranordnung. Die Messung der Relativlage zwischen Meßobjekt und Fotoempfängeranordnung kann mit einem separaten hochauflösenden Wegmeßsystem ausgeführt werden (z. B. Laser-Längenme'ßsystem, inkrementales Wegmeßsystem), oder es wird die Fotoempfängeranordnung selbst als hochauflösendes Wegmeßsystem eingesetzt. Hierbei wird die Ausgangsamplitude eines festgelegten Einzelempfängers ausgewertet. Diese ist ein Maß für die Relativlage, wenn auf diesen Empfänger ein zusätzliches Kantenbild abgebildet wird, das die gleiche Relativbewegung zur Fotoempfängeranordnung ausführt, wie die zu vermessende Struktur. Das heißt, wenn die Empfängeranordnung feststeht und das Meßobjekt bewegt wird, ist diese Kante mit dem Meßobjekt zu bewegen. Wird dagegen mit feststehendem Meßpbjekt gearbeitet und die Relativbewegung wird durch die Empfängeranordnung realisiert, soist dafür eine feststehende Kante zu verwenden.

Wenn eine hinreichend konstante Relativgeschwindigkeit zwischen Objekt und Empfängeranordnung vorliegt, ist es weiterhin möglich, die Wegmessung in eine Zeitmessung zu überführen. Deshalb kann anstelle eines Wegmeßsystems auch eine übliche Zeitmeßeinrichtung eingesetzt werden, zur Zeitmessung kann außerdem ein Zähler verwendet werden, der die Auslesungen der Fotoempfängeranordnung zählt. Dies ist z. B. dann möglich, wenn die Zeitabstände zwischen den Auslesungen gleichabständig oder bekannt sind.

Die Fotoempfänger-Ausgangssignale werden einer Komparatorsehaltung mit gekoppeltem Empfängerzähler zur Auswertung zugeführt. Als Komparator kann z.B. ein Fensterkomparator oder ein Schwellwertkomparator.mit Nachfolgelogik zum Einsatz

kommen. , „

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Bestimmung der Lage und/oder der Abmessungen optisch wirksamer Strukturen mit Hilfe einer Fotoempfängeranordnung, die mit einer Komparatorsehaltung, einem Einzelempfängerzähler und einer Wegmeßeinrichtung gekoppelt ist.

Wenn ein Fensterkomparator eingesetzt wird, erfolgt die Meßwertgewinnung nachfolgendem Prinzip:

Während der Relativbewegung zwischen Empfängeranordnung und Meßobjekt liefert der Fensterkomparator dann einen Impuls, wenn der Amplitudenwert an einer Kante im Komparator-Intervail liegt (z. B. 2. Auslesung und 4. Auslesung in Fig. 1). Bei gleichzeitiger Zählung der Empfängernummern, bei denen ein Komparatorimpuls auftritt, erhält man zunächst für Lage oder Abmessungen ganzzahlige Werte in Einzelempfänger-Mittenabständen. Außerdem wird die Wegdifferenz (Δζ in Fig. 1) zwischen den Auslesungen, bei denen die den beiden Objektkanten entsprechenden Komparatorimpulse auftreten, gemessen.

Aus dieser Wegdifferenz kann nun auf einen Korrekturwert geschlossen werden, der eine Interpolation der Objektabmessung oder der Objektlage innerhalb der ganzzahligen Einzelempfänger-Mittenabstände gestattet. In Abhängigkeit von der Zuordnung..

des ersten Komparator-Impulseszur positiven Objektkante (Dunkel-Hell-Übergang) oder negativen Objektkante (Hell-Dunkel-

Übergang) wird der Interpolations-Korrekturwert zum ganzzahligen Wert positiv oder negativ addiert.

Anstelle des Fensterkomparators kann auch ein einfacher Schwellwertkomparator eingesetzt werden. Ein Einzelempfängerzähler registriert die durch Schwellwertvergleich gewonnenen Empfängernummern der beiden Kanten oder die Empfängernummer-Differenz. Tritt von Auslesung zu Auslesung eine Ergebnisänderung auf (z.B. bei der 2. Auslesung in Fig. 1), wird der zur Interpolation verwendete Impuls ausgelöst.

Das Verfahren beinhaltet außerdem die Möglichkeit, bei hinreichend konstanter Relativgeschwindigkeit zwischen Meßobjekt und Fotoempfängeranordnung die Wegmessung durch eine Messung der Zeitdifferenz zwischen den Komparatorimpulsen unter Berücksichtigung der Relativgeschwindigkeit zu realisieren.

Bei einer weiteren Verfahrensvariante wird ein zum Meßobjekt feststehender Kantenübergang auf den Fotoempfänger abgebildet und aus der Amplitudenänderung des durch den Kantenübergang beeinflußten Einzelempfängers die Information zur Wegmessung gewonnen.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. I: Prinzip des Verfahrens zur Bestimmung der Lagen und/oder Abmessungen optisch wirksamer Strukturen; Fig. II: Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens unter Verwendung einer Zeitmeßeinrichtung; Fig. Ill: Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens unter Verwendung eines Einzelempfängers zur Wegmessung.

In Fig. I ist das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die nachfolgend gemachten Ausführungen beziehen sich auf Fig.it und Fig. III.

Auf einer CCD-Zeile (1) wird ein relativ zur Zeile bewegtes Objekt abgebildet. Hierbei können technologisch vorhandene Bewegungen (Fließband) ausgenutzt werden. Zum Erreichen einer maximal möglichen Auflösungssteigerung müssen die bei der Auslesung der Zeile auftretenden Einzelempfängersignale einer Hellsignalkorrektur (2) unterzogen werden.

Die technischen Möglichkeiten hierfür werden als bekannt vorausgesetzt.

Das so aufbereitete Videosignal wird einem Komparator (3) zugeführt. Der daraus abgeleitete Komparatorimpuls liefert zunächst einen ganzzahligen Wert für die Breite des abgebildeten Objektes. Während weiterer Auslesungen wird aus der Änderung der Komparatorinformation ein Korrekturwert zur Interpolation, der einen Wert kleiner ein Einzelempfänger darstellt, gewonnen (Fig. I). Mit dessen Hilfe kann dann der vollständige (endgültige) .Meßwert ermittelt werden.

Für den Komparator (3) sollen hier zwei mögliche Realisierungsformen beschrieben werden.

a) Fensterkomparator aus zwei UND-verknüpften Komparatoren mit unterschiedlichem Schwellwert

Der ganzzahlige Teil der Messung kann hier gewonnen werden, indem die in einem der beiden Einzelkomparatorintervalle, die bei jeder Auslesung auftreten, liegenden Einzelempfänger ausgezählt werden. Weiterhin wird vom Fensterkomparator beim Auftreten eines, in einem bestimmten Intervall liegenden Amplitudenwertes ein weiterer Impuls erzeugt. Dabei treterr die zur positiven und negativen.Kante gehörenden Fensterkomparatorimpulse in der Regel nicht während ein und derselben Auslesung auf.

b) Schwellwertkomparator mit Nachfolgelogik

Auch hier kann der ganzzahlige Teil der Messung durch Auszählung der Anzahl der im Komparatorintervall liegenden Einzelempfänger ermittelt werden. Die Nachfolgelogik erfaßt eine Änderung der Lage der Komparatorflanken bezüglich der Pixelnummern im Vergleich zur vorherigen Auslesung der CCD-Zeile, was dem Auftreten von Fensterkomparatorimpulsen • entspricht. . . .

Zu dem im Zähler (5) eingetragenen, ganzzahligen Wert wird im Verlaufe der weiteren Auslesungen der Korrekturwert zur Interpolation durch Vor- oder Rückwärtszählen positiv oder negativ addiert. Wichtig hierbei ist, daß die den Korrekturwert beschreibenden Zählimpulse dem Zähler (5) mit einer um den Faktor der Auflösungssteigerung niedrigeren Wichtung zugeführt werden müssen als die Zählimpulse zur Ermittlung des ganzzahligen Wertes.

Das kann zum Beispiel realisiert werden, indem man die Zählimpulse für ganzzahligen Wert und Korrekturwert verschiedenen Stufen eines Asynchronzählers zuführt.

Für die Gewinnung der den Korrekturwert zur Interpolation beschreibenden Zählimpulse sollen hier zwei mögliche Realisierungsformen beschrieben werden.

f. Bei bekannterund hinreichend konstanter Relativgeschwindigkeit zwischen Objekt und Sensor kann die Wegmessung auf eine Zeitmessung zurückgeführt werden (Fig. II). Als Zeitbasis dient hierbei der zur Ansteuerung der CCD-Zeile (1) verwendete Taktgenerator (4).

Das geschieht, indem die Anzahl der Auslesungen bestimmt wird, die zwischen dem Auftreten eines, in einem bestimmten Intervall liegenden Amplitudenwertes (Fensterkomparatorimpuls) in der positiven und negativen Flanke der abgebildeten Struktur liegt. Der nach dem Auftreten der beiden zur positiven und negativen Flanke gehörenden Fensterkomparatorimpulse erreichte Zählerstand bezeichnet den endgültigen Meßwert der gemessenen Strukturbreite und kann direkt der Anzeigeeinheit (6) zugeführt werden.

2. Bei nicht bekannter bzw. nicht hinreichend konstanter Relativgeschwindigkeit kann ein nicht zur abgebildeten Struktur gehörender Einzelempfänger der CCD-Zeile zur Wegmessung herangezogen werden (Fig. III). Zu diesem Zweck wird eine relativ zum Meßobjekt ruhende Kante möglichst scharf auf diesen bekannten Einzelempfänger abgebildet. Bei einer Relativbewegung von CCD-Zeile und Meßobjekt ergeben sich im beschriebenen Einzelempfänger Amplitudenschwankungen. Es ist die Amplitudenschwankung zwischen dem Auftreten zweier Fensterkomparatorimpulse zu bestimmen. Diese Impulse, die zur positiven und negativen Flanke der abgebildeten Struktur gehören, treten in der Regel nicht während derselben Auslesung auf. Die ermittelte Amplitudenschwankung bezeichnet den Korrekturwert zur Interpolation.

Dieser kann nach a-d-Wandlung (7) dem Zähler, in dem der ganzzahlige Wert zur—wie unter 1. beschrieben — positiven oder negativen Addition zugeführt werden. Für den ADU (7) genügen hierbei Konversionszeiten in der Größenordnung der Bildwiederholzeit. .

Claims (11)

1. Einrichtung zur Bestimmung der Lage und/oder Abmessungen optisch wirksamer Strukturen eines auf eine Fotoempfängeranordnung abgebildeten und relativ zu dieser bewegten strukturierten Meßobjektes; dadurch gekennzeichnet, daß eine Komparatorschaltung mit Empfängerzähler am Ausgang der Fotoempfängeranordnung und ein Wegmeßsystem zur Bestimmung der Änderung der Relativlage zwischen Meßobjekt und Fotoempfängeranordnung eingesetzt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß als hochauflösendes Wegmeßsystem ein Einzelempfänger der Fotoempfängeranordnung eingesetzt ist, aufweichen ein zur Meßanordnung gehörendes feststehendes Kantenbild bei bewegter Empfängeranordnung oder ein mit Objektgeschwindigkeit bewegtes Kantenbild bei bewegtem Meßobjekt abgebildet ist und die Ausgangsamplitude als Maß für die Relativlage dient.

3. Einrichtung nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß als Wegmeßsystem bei hinreichend konstanter Relativgeschwindigkeit zwischen Objekt und Empfängeranordnung eine Zeitmeßeinrichtung eingesetzt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3; dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessung durch einen Zähler der Auslesungen der Fotoempfängeranordnung realisiert ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1-4; dadurch gekennzeichnet, daß als Komparator ein Fensterkomparator eingesetzt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1—4; dadurch gekennzeichnet, daß als Komparator ein Schwellenwertkomparator mit Nachfolgelogik eingesetzt ist.

7. Verfahren zur Bestimmung der Lage und/oder Abmessungen optisch wirksamer Strukturen eines auf eine Fotoempfängeranordnung abgebildeten und relativ zu dieser bewegten strukturierten Meßobjektes; dadurch gekennzeichnet, daß die zurückgelegte Wegdifferenz zwischen den durch Relativbewegung zwischen Meßobjekt und Fotoempfängeranordnung und wiederholter Auslesung der Fotoempfängeranordnung aufeinanderfolgenden, den Objektkanten entsprechenden Impulsen eines Fensterkomparators bestimmt wird, und hiermit ein Korrektorwert zur Interpolation der Objektabmessungen oder -lage innerhalb der durch die Komparatorentscheide und Einzelempfängerzählung bestimmten ganzzahligen Werte in Einzelempfängermittenabständen ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7; dadurch gekennzeichnet, daß die den Objektkanten entsprechenden Impulse durch einfachen Schwellwertvergleich und nachfolgender Feststellung einer Ergebnisveränderung der von Auslesung zu Auslesung aufeinanderfolgenden Werte des Einzelempfängerzählers gewonnen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8; dadurch gekennzeichnet, daß bei hinreichend konstanter Relativgeschwindigkeit zwischen Meßobjekt und Fotoempfängeranordnung die Wegmessung durch eine Messung der Zeitdifferenz zwischen den Komparatorimpulsen und Berücksichtigung der Relativgeschwindigkeit realisiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 und 8; dadurch gekennzeichnet, daß die Wegmessung durch Auswertung der Amplitudenänderung eines durch einen zum Meßobjekt feststehenden Kantenübergang beeinflußten Einzelempfängers realisiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7-10; dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Zuordnung des ersten auftretenden Komparatorimpulses zur positiven oder negativen Objektkante der Korrektorwert zur Interpolation zum ganzzahligen Wert positiv oder negativ addiert wird.